synchronized实现方式及锁优化
简述：关于synchronized的具体使用方式，网上已经给出了很多文章，各种不同，主要还是对于锁的对象不同导致，说白了，就是锁一个对象的实例，还是锁一个类，这两个是synchronized在使用时，尤其要关注的。这篇日志主要是记录synchronized其底层实现，以及锁的优化。
synchronized在修饰代码块时，我们编译出来看到就是monitorenter和monitorexist, 这两个字段我们可以通俗理解下，其实就是：
当执行monitorenter时:
1、如果monitor的进入数为0，当前线程进入monitor，并且将线程数设置成1；
2、如果当前线程已经获取到了锁，只是重新进入，会把当前线程数加1；
3、如果其他线程已经占用了monitor，当前线程只能进入阻塞，直到monitor的线程数为0，尝试再次获取锁。
当执行monitorexist时：
1、判断当前线程是否是对象中拥有锁的线程，如果时，将当前对象的线程数减 1， 知道线程数降低为 0，释放该锁
2、其他被改monitor阻塞的线程，尝试去获取当前monitor；
对于同步方法：
编译后，只是在方法签名处多了一个ACC_SYNCHRONIZED 标识符，jvm是根据这个标识符，进行方法的同步：当方法调用时，调用指令会判断ACC_SYNCHRONIZED访问标识是否被设置了，如果设置了，执行线程会先去获取monitor,获取成功之后执行方法体，执行结束之后释放monitor。在方法执行期间，任何线程都不能再获取monitor对象。
任意线程对object的访问都需要获取到object的监视器，如果获取失败，线程进入同步队列，变为blocked状态，当object的监视器被其他线程所释放之后，阻塞队列中的线程会重新尝试获取监视器，
synchronized所提供的同步方法，还有同步代码块，限制了某个时间内只有一个线程可以进行访问，那么我们可以推到出，在synchronized块和synchronized修饰的方式中，对变量的修改是可以写会到主内存的，happens-before在synchronized中也是失效的，代码会按照正常的顺序执行。synchronized所用到的锁是悲观锁，并且是重量级锁。在实际开发中这个锁的性能并不高。
java在1.6之后对锁进行了优化，我简单记录下常见的几种锁。
准备知识：java对象头
java对象头有两部分组成Mark Word和类型指针
mark word：用来存储对象运行时的数据，比如hashcode,gc 分代年龄，锁状态标志，线程持有的锁，偏向线程id等。
类型指针：指向对象的类元数据，简单理解就是该对象是哪个类的实例。
这篇是关于对象头的详细内容 JAVA对象头信息
偏向锁
引入目的：在没有多线程的竞争的情况下，减少不避免的轻量锁执行路径，轻量锁的获取释放依赖于CAS操作，而偏向锁只需要在置换threadID时，依赖一次CAS原子指令，一旦出现多线程竞争时必须撤销偏向锁，所以撤销偏向锁的性能必须小于之前节省下来的CAS原子操作的性能消耗，不然就得不偿失了，所以偏向锁是在只有一个线程执行同步块时提升性能。
偏向锁的获取过程：
1、获取到对象中的mark word ,判断是否是可偏向状态，（是否偏向锁设置成1，锁标志位设置成01）
2、如果是偏向锁，判断javaThread中线程是否为空，如果为空，执行步骤3，如果指向当前线程，执行同步代码块，如果不为你当前线程执行步骤4
3、通过CAS指令将当前对象的javaThread设置成当前线程id,如果执行成功，执行同步代码块；否则进入步骤4
4、如果执行CAS指令失败，表示当前多个线程在竞争锁，到达全局安全点，获得偏向锁的线程被挂起，撤销偏向锁，并升级成轻量级锁，升级完成后，被阻塞在安全点的线程继续执行同步代码块。
偏向锁的释放过程：
1、只有当其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁。线程不会主动去释放偏向锁、
2、首先会暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态。
3、撤销偏向锁之后，恢复到未锁定或者是轻量级锁状态。
轻量级锁
引入轻量级锁的目的：在多线程交替执行的条件下，避免重量级锁引起的性能消耗，但是如果在某个时刻，多个线程进入临界区，会导致轻量级锁膨胀成重量级锁。
轻量级锁加锁过程：
1、代码进入同步块时，如果当前对象锁的状态是无锁，虚拟机会在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头当中的mark word复制到锁记录（Lock record）中，即（displaced mark word）
2、拷贝当前对象的mark word到锁记录（lock record）中
3、线程尝试使用CAS将对象头中的mark word替换为指向锁记录中的指针，如果执行成功进入步骤4
4、如果这个更新动作成功了，那么线程就拥有了该对象的锁，将对象锁标志设置成00，表示对象处于轻量级锁状态
5、如果这个更新动作失败了，会首先检查对象的mark word是否指向当前线程的栈帧，如果是，说明当前线程已经拥有了锁，可以直接进入同步块执行，否则说明有多个线程在竞争锁，轻量级锁就会膨胀成重量级锁，锁状态变成10，mark word中就是指向重量级锁的指针，后面等待锁的线程就会阻塞，当前线程采用自选的方式来获取锁。
轻量级锁的释放过程：
1、使用CAS操作将dispalcaed mark word替换回到对象头
2、如果替换成功，表示竞争没有发生
3、如果替换失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量锁。就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。
重量级锁：
1、从轻量级锁到重量级锁的过程中，是通过自旋的方式来获取；
2、判断当前对象monitor是否为重量级锁，如果是重量级锁，执行步骤3，否则执行步骤4
3、获取对象monitor指针，并返回，结束膨胀过程
4、如果当前锁处在膨胀过程中，说明其他线程也在执行膨胀操作，当前线程就自旋的方式，等待锁膨胀完成，如果其他线程膨胀完成，退出自旋操作。
关于各个锁的优缺点对比：
| 锁 | 优点 | 缺点 | 适应场景 |
| 偏向锁 | 加锁和不加锁不需要额外的开销，和执行非同步方法比仅存在纳秒级的差距 | 如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗 | 适用于只有一个线程访问同步块的场景 |
| 轻量级锁 | 竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度 | 如果始终得不到竞争的线程，使用自旋会消耗CPU | 追求响应时间，同步块执行速度非常快 |
| 重量级锁 | 线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU | 线程阻塞，响应时间慢 | 追求吞吐量，同步块执行速度较长 |
如果错误，敬请指正~
参考：Java并发编程：Synchronized及其实现原理
《java并发编程艺术》方腾飞